(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向を有する多孔質の支持基板であって１つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された支持基板と、
前記支持基板の主面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部と、
を備えた焼成体である燃料電池であって、
前記各ガス流路の前記長手方向における一端側及び他端側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応し、
前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面の外周の角部、及び、前記各ガス流路の前記ガス排出側の開口部における前記支持基板の材料で構成される開口の角部に、長さが０．０３ｍｍ以上の面取りが施され、
前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍである、燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
少なくとも、前記各ガス流路の内壁部における前記支持基板の材料で構成される面の前記ガス排出側の端部、及び、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面に、前記支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成されており、
前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面部に形成された部分の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍである、燃料電池。
【請求項３】
長手方向を有する多孔質の支持基板であって１つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された支持基板と、
前記支持基板の主面における互いに離れた複数の箇所にそれぞれ設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる複数の発電素子部と、
１組又は複数組の隣り合う前記発電素子部の間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記発電素子部の一方の燃料極と他方の空気極とを電気的に接続する１つ又は複数の電気的接続部と、
を備えた焼成体である燃料電池であって、
前記支持基板の主面における前記複数の箇所に、前記支持基板の材料からなる底壁と全周に亘って前記支持基板の材料からなる周方向に閉じた側壁とを有する凹部がそれぞれ形成され、
前記各凹部に、対応する前記発電素子部の燃料極がそれぞれ埋設され、
前記各ガス流路の前記長手方向における一端側及び他端側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応し、
前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面の外周の角部、及び、前記各ガス流路の前記ガス排出側の開口部における前記支持基板の材料で構成される開口の角部に、長さが０．０３ｍｍ以上の面取りが施され、
前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍである、燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
少なくとも、前記各ガス流路の内壁部における前記支持基板の材料で構成される面の前記ガス排出側の端部、及び、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面に、前記支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成されており、
前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面部に形成された部分の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍである、燃料電池。
【請求項５】
請求項２又は請求項４に記載の燃料電池において、
前記支持基板の気孔率は、２０〜６０％であり、前記コーティング膜の気孔率は、０〜１０％である、燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の燃料電池において、
前記各ガス流路の前記ガス排出側の開口部における前記支持基板の材料で構成される開口の角部に施された面取りの長さが、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面の外周の角部に施された面取りの長さより大きい、燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、「長手方向を有する平板状であり、且つ、１つ又は複数のガス流路が前記長手方向に沿って内部に形成された多孔質の支持基板」と、「前記支持基板の主面に設けられ、少なくとも燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順で積層された発電素子部」と、を備えた焼成体である固体酸化物形燃料電池が広く知られている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
係る焼成体である燃料電池では、燃料極等の導電性を獲得するため、燃料電池を作動させる前に、燃料電池に対して高温下（例えば、８００℃程度）にて還元ガスを供給する熱処理（以下、「還元処理」と呼ぶ。）が行われて、燃料電池が非還元体から還元体に移行される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９２２８号公報
【発明の概要】
【０００５】
係る燃料電池では、「各ガス流路内において長手方向における一方向（同じ方向）にガス（燃料ガス）が流され、各ガス流路のガス排出口から外部空間に排出された余剰のガスが、同ガス排出口の近傍にて、同外部空間内にある空気（酸素）と反応して燃焼させられる構成」が採用され得る。
【０００６】
係る構成が採用される場合、燃料電池の稼働環境によっては支持基板のガス排出側端部にてクラックが発生する場合があった。これは、上記燃焼による熱を受けることによって支持基板のガス排出側端部の温度が局所的に増大し、支持基板のガス排出側端部に過大な熱応力が局所的に発生することに起因する、と考えられる。本発明者は、係る問題に対処するために種々の実験等を重ねた。その結果、本発明者は、係るクラックの発生は、「支持基板のガス排出側端部の表面粗さ」と強い相関があることを見出した。
【０００７】
本発明の目的は、ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板を備えた燃料電池であって、支持基板のガス排出側端部にクラックが発生する事態を抑制し得るものを提供することにある。
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、上記と同様の支持基板と発電素子部とを備える。各ガス流路の前記長手方向における一端側及び他端側がそれぞれ、ガス流入側及びガス排出側に対応する。この燃料電池では、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面の外周の角部、及び、前記各ガス流路の前記ガス排出側の開口部における前記支持基板の材料で構成される開口の角部に、長さが０．０３ｍｍ以上の面取りが施されている。
【０００９】
この燃料電池の特徴は、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍであることにある。ここにおいて、前記支持基板の気孔率は、２０〜６０％であり、前記コーティング膜の気孔率は、０〜１０％であることが好適である。
【００１０】
本発明者は、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍである場合に、そうでない場合と比べて、同端面においてクラックが発生し難くなることを見出した。この点の詳細については後述する。
【００１１】
ところで、上述した「余剰のガスが、ガス排出口の近傍にて外部空間内にある空気と反応して燃焼させられる構成」が採用される場合、支持基板のガス排出側端部の内部にてクラックが発生する場合がある。これは、以下の理由に基づくと考えられる。即ち、支持基板が多孔質であることに起因して、支持基板のガス排出側端部の内部に外部空間内にある空気が進入し、上述した余剰のガスが同内部にて空気と反応して燃焼する。この結果、同内部にて、燃焼による発熱に伴う過大な熱応力が局所的に発生してクラックが発生する。
【００１２】
このようなクラックの発生を抑制するため、支持基板のガス排出側端部、具体的には、前記各ガス流路の内壁部における前記支持基板の材料で構成される面の前記ガス排出側の端部、及び、前記支持基板の前記長手方向における前記ガス排出側の端面部における前記支持基板の材料で構成される端面に、前記支持基板より気孔率が小さいコーティング膜が形成されてもよい。この場合、前記コーティング膜における前記支持基板の前記ガス排出側の端面部に形成された部分の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍであることが好適である。このようなコーティング膜の形成によって、外部空間内にある空気が支持基板のガス排出側端部の内部へ進入し難くなり、この結果、上述した支持基板のガス排出側端部の内部でのクラックの発生が抑制され得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
【図２】図１に示す複数の燃料電池セルを含むスタック構造体の全体の斜視図である。
【図３】図２に示した燃料ガスマニホールドの全体の斜視図である。
【図４】図２に示したスタック構造体の内部におけるガスの流れを示す断面図である。
【図５】支持基板のガス排出側端部に施された面取りの状態を示す模式図である。
【図６】面取りの長さの定義を説明するための図である。
【図７】図２に示したスタック構造体に対して燃料ガス及び空気が供給・排出される様子を示した斜視図である。
【図８】支持基板のガス排出側端部にコーティング膜が形成された場合の図４に対応する図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係る燃料電池セルを示す斜視図である。
【図１０】図９に示す燃料電池セルの１０−１０線に対応する断面図である。
【図１１】図９に示す支持基板の凹部に埋設された燃料極及びインターコネクタの状態を示した平面図である。
【図１２】図９に示す燃料電池セルの作動状態を説明するための図である。
【図１３】図９に示す燃料電池セルの作動状態における電流の流れを説明するための図である。
【図１４】図９に示す支持基板を示す斜視図である。
【図１５】図９に示す燃料電池の製造過程における第１段階における図１０に対応する断面図である。
【図１６】図９に示す燃料電池の製造過程における第２段階における図１０に対応する断面図である。
【図１７】図９に示す燃料電池の製造過程における第３段階における図１０に対応する断面図である。
【図１８】図９に示す燃料電池の製造過程における第４段階における図１０に対応する断面図である。
【図１９】図９に示す燃料電池の製造過程における第５段階における図１０に対応する断面図である。
【図２０】図９に示す燃料電池の製造過程における第６段階における図１０に対応する断面図である。
【図２１】図９に示す燃料電池の製造過程における第７段階における図１０に対応する断面図である。
【図２２】図９に示す燃料電池の製造過程における第８段階における図１０に対応する断面図である。
【図２３】図９に示す燃料電池セルの第１変形例の図１０に対応する断面図である。
【図２４】図９に示す燃料電池セルの第２変形例の図１０に対応する断面図である。
【図２５】図９に示す燃料電池セルの第３変形例の図１０に対応する断面図である。
【図２６】図９に示す燃料電池セルの第４変形例の図１１に対応する断面図である。
【図２７】図９に示す複数の燃料電池セルを含むスタック構造体の全体の斜視図である
【図２８】図２７に示した燃料ガスマニホールドの全体の斜視図である。
【図２９】図２７に示したスタック構造体の内部におけるガスの流れを示す断面図である。
【図３０】支持基板のガス排出側端部に施された面取りの状態を示す模式図である。
【図３１】図２７に示したスタック構造体に対して燃料ガス及び空気が供給・排出される様子を示した斜視図である。
【図３２】支持基板のガス排出側端部にコーティング膜が形成された場合の図２９に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（第１実施形態）
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）のセル１００では、平板状の多孔質の導電性支持体１１の一方の主面に、多孔質の燃料極１２、緻密な固体電解質１３、多孔質の導電性セラミックスからなる空気極１４が順次積層されている。また、空気極１４と反対側の導電性支持体１１の主面には、中間膜１５、ランタン−クロム系酸化物材料からなるインターコネクタ１６、Ｐ型半導体材料からなる集電膜１７が順次形成されている。
【００１５】
セル１００は、第１長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状を呈し、セル１００の長さＬ１（第１長手方向の長さ）は５０〜５００ｍｍであり、幅Ｌ２は１０〜１００ｍｍであり、厚さＬ３は１〜５ｍｍである（Ｌ１＞Ｌ２）。セル１００の第１長手方向（ｘ軸方向）の一端部の側面の形状（長さＬ２、幅Ｌ３の長円形状、Ｌ２＞Ｌ３）は、第２長手方向（ｙ軸方向）を有する。
【００１６】
また、導電性支持体１１の内部には、互いに平行な複数のガス流路１８が長手方向（ｘ軸方向）に沿って幅方向（ｙ方向）に間隔をおいて形成されている。各ガス流路１８の断面形状は直径Ｄが０．５〜３ｍｍの円形である。隣り合うガス流路１８、１８の幅方向における間隔（ピッチ）Ｐは１〜５ｍｍである。なお、各ガス流路１８の断面形状は、楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であってもよい。
【００１７】
セル１００は、幅方向（長手方向と直角の方向）の両側にそれぞれ設けられた側端部Ｂ，Ｂと、側端部Ｂ，Ｂを連結する一対の平坦部Ａ，Ａと、から構成されている。一対の平坦部Ａ，Ａは平坦であり、ほぼ平行である。平坦部Ａ，Ａのうちの一方では、導電性支持体１１の一方の主面上に燃料極１２、固体電解質１３、空気極１４が順に形成され、平坦部Ａ，Ａのうちの他方では、導電性支持体１１の他方の主面上に中間膜１５、インターコネクタ１６、集電膜１７が順に形成されている。
【００１８】
導電性支持体１１の幅は、１０〜１００ｍｍであり、厚さは、１〜５ｍｍであることが望ましい。導電性支持体１１のアスペクト比（幅／厚さ）は、５〜１００である。なお、導電性支持体１１の形状は、「薄板状」と表現されているが、幅方向の寸法及び厚さ方向の寸法の組み合わせに応じて、「楕円柱状」、或いは、「扁平状」とも表現され得る。また、導電性支持体１１の形状は、円筒状であってもよい。
【００１９】
この導電性支持体１１は、Ｙ、Ｌｕ、Ｙｂ、Ｔｍ、Ｅｒ、Ｈｏ、Ｄｙ、Ｇｄ、Ｓｍ及びＰｒから選ばれた１種以上からなる希土類元素酸化物とＮｉ及び／又はＮｉＯとを主成分とする材質から構成されることが望ましい。なお、Ｎｉに加えて、ＦｅやＣｕ等が含まれていてもよい。
【００２０】
また、導電性支持体１１は、「ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）」と、「絶縁性セラミックス」とを含んで構成される、と記載することもできる。絶縁性セラミックスとしては、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」等が使用され得る。導電性支持体１１の導電率は、８００℃にて、１０〜２０００Ｓ／ｃｍである。導電性支持体１１の気孔率は、２０〜６０％である。
【００２１】
導電性支持体１１とインターコネクタ１６の間に形成される中間膜１５は、Ｎｉ及び／又はＮｉＯと希土類元素を含有するＺｒＯ２を主成分とする材質、または希土類酸化物（例えばＹ２Ｏ３）から構成され得る。中間膜１５中のＮｉ化合物のＮｉ換算量は、全量中３５〜８０体積％であることが望ましく、更には、５０〜７０体積％であることがより望ましい。Ｎｉ換算量が３５体積％以上であることで、Ｎｉによる導電パスが増加して、中間膜１５の伝導度が向上する。この結果、中間膜１５に起因する電圧降下が小さくなる。また、Ｎｉ換算量が８０体積％以下であることで、導電性支持体１１とインターコネクタ１６の間の熱膨張係数差を小さくすることができ、両者の界面における亀裂の発生が抑制され得る。
【００２２】
また、電圧降下の減少という観点から、中間膜１５の厚さは２０μｍ以下であることが望ましく、更には、１０μｍ以下であることが望ましい。
【００２３】
中希土類元素や重希土類元素の酸化物の熱膨張係数は、固体電解質１３における「Ｙ２Ｏ３を含有するＺｒＯ２」の熱膨張係数より小さい。従って、Ｎｉとのサーメット材としての導電性支持体１１の熱膨張係数を固体電解質１３の熱膨張係数に近づけることができる。この結果、固体電解質１３のクラックや、固体電解質１３の燃料極１２からの剥離が抑制され得る。更には、熱膨張係数が小さい重希土類元素酸化物を用いることで、導電性支持体１１中のＮｉを多くでき、導電性支持体１１の電気伝導度を上げることができる。この観点からも、重希土類元素酸化物を用いることが望ましい。
【００２４】
なお、希土類元素酸化物の熱膨張係数の総和が固体電解質１３の熱膨張係数未満であれば、軽希土類元素のＬａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの酸化物は、中希土類元素、重希土類元素に加えて含有されていても問題はない。
【００２５】
また、精製途中の安価な複数の希土類元素を含む複合希土類元素酸化物を用いることにより、原料コストを大幅に下げることができる。この場合も、複合希土類元素酸化物の熱膨張係数が固体電解質１３の熱膨張係数未満であることが望ましい。
【００２６】
また、インターコネクタ１６表面にＰ型半導体、例えば、遷移金属ペロブスカイト型酸化物からなる集電膜１７を設けることが望ましい。インターコネクタ１６表面に直接金属の集電部材を配して集電すると、非オーム接触に起因して、電位降下が大きくなる。オーム接触を確保して電位降下を少なくするためには、インターコネクタ１６にＰ型半導体からなる集電膜１７を接続する必要がある。Ｐ型半導体としては、遷移金属ペロブスカイト型酸化物を用いることが望ましい。遷移金属ペロブスカイト型酸化物としては、ランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種を用いることが望ましい。
【００２７】
導電性支持体１１の主面に設けられた燃料極１２は、Ｎｉと希土類元素が固溶したＺｒＯ２とから構成される。この燃料極１２の厚さは１〜３０μｍであることが望ましい。燃料極１２の厚さが１μｍ以上であることで、燃料極１２としての３層界面が十分に形成される。また、燃料極１２の厚さが３０μｍ以下であることで、固体電解質１３との熱膨張差による界面剥離が防止され得る。
【００２８】
この燃料極１２の主面に設けられた固体電解質１３は、イットリア（Ｙ２Ｏ３）を含有したイットリア安定化ジルコニアＹＳＺ（緻密体なセラミックス）から構成される。固体電解質１３の厚さは、０．５〜１００μｍであることが望ましい。固体電解質１３の厚さが０．５μｍ以上であることで、ガス透過が防止され得る。また、固体電解質１３の厚さが１００μｍ以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。
【００２９】
また、空気極１４は、遷移金属ペロブスカイト型酸化物のランタン−マンガン系酸化物、ランタン−鉄系酸化物、ランタン−コバルト系酸化物、又は、それらの複合酸化物の少なくとも一種の多孔質の導電性セラミックスから構成されている。空気極１４は、８００℃程度の中温域での電気伝導性が高いという観点から、（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｏ３系が望ましい。空気極１４の厚さは、集電性という観点から、１０〜１００μｍであることが望ましい。
【００３０】
インターコネクタ１６は、導電性支持体１１の内外間の燃料ガス、酸素含有ガスの漏出を防止するため緻密体とされている。また、インターコネクタ１６の内外面は、燃料ガス、酸素含有ガスとそれぞれ接触するため、耐還元性、耐酸化性を有している。
【００３１】
このインターコネクタ１６の厚さは、３０〜２００μｍであることが望ましい。インターコネクタ１６の厚さが３０μｍ以上であることで、ガス透過が完全に防止され得、２００μｍ以下であることで、抵抗成分の増加が抑制され得る。
【００３２】
このインターコネクタ１６の端部と固体電解質１３の端部との間には、シール性を向上すべく、例えば、ＮｉとＺｒＯ２、或いはＹ２Ｏ３からなる接合層を介在させても良い。
【００３３】
このセル１００では、緻密な固体電解質１３は、導電性支持体１１の一方の主面上のみならず、導電性支持体１１の側端部を介して他方の主面上のインターコネクタ１６の側端面まで形成されている。即ち、固体電解質１３は、両側の側端部Ｂ，Ｂを形成するように、導電性支持体１１の他方の主面まで延設され、インターコネクタ１６と接合している。なお、側端部Ｂ，Ｂ（導電性支持体１１の側端部）は、発電に伴う加熱や冷却に伴い発生する熱応力を緩和するため、幅方向において外側に突出する曲面形状となっていることが望ましい。
【００３４】
次に、以上説明したようなセル１００の製法について説明する。先ず、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄの元素を除く希土類元素酸化物粉末とＮｉ及び／又はＮｉＯ粉末が混合される。この混合粉末に、有機バインダーと、溶媒とを混合した導電性支持体材料が押し出し成形されて、板状の導電性支持体成形体が作製される。この成形体が乾燥、脱脂される。
【００３５】
また、希土類元素（Ｙ）が固溶したＺｒＯ２粉末と有機バインダーと溶媒を混合した固体電解質材料を用いてシート状の固体電解質成形体が作製される。
【００３６】
次に、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合して作製された、燃料極１２となるスラリーが、前記固体電解質成形体の一方側に塗布される。これにより、固体電解質成形体の一方側の面に燃料極成形体が形成される。
【００３７】
次に、導電性支持体成形体に、前記シート状の固体電解質成形体と燃料極成形体の積層体が、燃料極成形体が導電性支持体成形体に当接するように、導電性支持体成形体に巻き付けられる。
【００３８】
次に、この積層成形体の側端部Ｂ，Ｂを形成する位置の固体電解質成形体上に、上記のシート状の固体電解質成形体が更に数層積層され、乾燥される。また、固体電解質１３となるスラリーが固体電解質成形体上にスクリーン印刷されてもよい。なお、このとき脱脂が行われてもよい。
【００３９】
次に、ランタン−クロム系酸化物粉末と、有機バインダーと、溶媒とを混合したインターコネクタ材料を用いて、シート状のインターコネクタ成形体が作製される。
【００４０】
また、Ｎｉ及び／又はＮｉＯ粉末と、希土類元素が固溶したＺｒＯ２粉と、有機バインダーと、溶媒を混合したスラリーを用いて、シート状の中間膜成形体が作製される。
【００４１】
次に、インターコネクタ成形体と中間膜成形体とが積層される。この積層体の中間膜成形体側が、露出した導電性支持体成形体側に当接するように、この積層体が導電性支持体成形体に積層される。
【００４２】
これにより、導電性支持体成形体の一方主面に、燃料極成形体、固体電解質成形体が順次積層されるとともに、他方主面に中間膜成形体、インターコネクタ成形体が積層された積層成形体が作製される。なお、各成形体は、ドクターブレードによるシート成形、印刷、スラリーディップ、並びにスプレーによる吹き付けなどにより作製され得る。また、各成形体は、これらの組み合わせにより作製され得る。なお、この状態の支持体成形体のガス排出側端部には、後述するコーティング膜５００（図８を参照）の成形膜も、ディッピング法等を利用して形成される。
【００４３】
次に、積層成形体が脱脂処理され、酸素含有雰囲気中で１３００〜１６００℃で同時焼成される。
【００４４】
次に、Ｐ型半導体である遷移金属ペロブスカイト型酸化物粉末と、溶媒を混合して、ペーストが作製される。前記積層体がこのペースト中に浸漬される。そして、固体電解質１３、インターコネクタ１６の表面に、空気極成形体、集電膜成形体が、それぞれディッピング、或いは直接のスプレー塗布により形成される。これらの成形体が１０００〜１３００℃で焼き付けられることにより、本発明に係る燃料電池が作製される。
【００４５】
なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、導電性支持体１１、燃料極１２、中間膜１５中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、これらの導電性を獲得するため、その後、導電性支持体１１側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１０時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。
【００４６】
（スタック構造体の一例）
次に、上述した複数のセル１００を用いたスタック構造体の一例について図２〜図７を参照しながら説明する。図２に示すように、このスタック構造体は、多数のセル１００と、多数のセル１００のそれぞれに燃料ガスを供給するための燃料ガスのマニホールド２００と、を備えている。マニホールド２００の全体は、ステンレス鋼等の材料で構成されている。
【００４７】
マニホールド２００の天板（換言すれば、ガスタンクの天板（平板））は、多数のセル１００を支持するための支持板２１０を兼ねている。また、マニホールド２００には、外部からマニホールド２００の内部空間に燃料ガスを導入するための導入通路２２０が設けられている。各セル１００が支持板２１０の表面から第１長手方向（ｘ軸方向）に沿ってそれぞれ突出し且つ複数のセル１００がスタック状に整列するように、各セル１００の第１長手方向のガス流入側端部が支持板２１０に接合・支持されている。各セル１００の第１長手方向のガス排出側端部は、自由端となっている。従って、このスタック構造は、「片持ちスタック構造」と表現することができる。
【００４８】
図３に示すように、支持板２１０（マニホールド２００の天板）の表面には、マニホールド２００の内部空間と連通する多数の挿入孔２１１が形成されている。各挿入孔２１１には、対応するセル１００のガス流入側端部がそれぞれ挿入（遊嵌）される。
【００４９】
図４に示すように、挿入孔２１１とセル１００のガス流入側端部との接合部のそれぞれにおいて、接合材３００が、挿入孔２１１の内壁とセル１００のガス流入側端部の外壁との間の隙間に充填される。これにより、各挿入孔２１１と対応するセル１００のガス流入側端部とがそれぞれ接合・固定されている。接合材３００としては、非晶質ガラス、結晶化ガラス等が使用され得る。各セル１００のガス流路１８のガス流入側端部は、マニホールド２００の内部空間と連通している。
【００５０】
図４に示すように、隣接するセル１００、１００の間には、隣接するセル１００、１００の間（より詳細には、一方のセル１００の燃料極１２と他方のセル１００の空気極１４）を電気的に直列に接続するための集電部材４００が介在している。集電部材４００は、例えば、金属メッシュ等で構成される。
【００５１】
図４に示すように、各セル１００のガス排出側端部（自由端部）において、導電性支持体１１の長手方向（ｘ軸方向）におけるガス排出側の端面の外周の角部Ｐ、及び、各ガス流路１８のガス排出側の開口の角部Ｑには、面取りが施されている。図４のＺ部の拡大図である図５に示すように、角部Ｐ、Ｑの面取りは、４５°面取り（Ｃ面取り、図５（ａ）を参照）であっても、丸み面取り（Ｒ面取り、図５（ｂ）を参照）であってもよい。なお、４５°面取りとは、断面図において、面取りされた面が「４５°傾斜した直線」で表される面取りである。丸み面取りとは、断面図において、面取りされた面が「四分の一の円弧」で表される面取りである。
【００５２】
或いは、図６に示すように、角部Ｐ、Ｑの面取りは、４５°面取りにも丸み面取りにも該当しない面取りであってもよい。図６（ａ）に示す面取りは、断面図において、面取りされた面が「４５°と異なる角度だけ傾斜した直線」で表される面取りである。図６（ｂ）に示す面取りは、断面図において、面取りされた面が「円弧とは異なる曲線」で表される面取りである。
【００５３】
本願では、面取りの長さは、「断面図において、面取りが施されていないと仮定した場合に描かれる互いに交わる仮想の２つの線分の長さのうち短い方の長さ」と定義される。図６（ａ）、（ｂ）に示す例では何れも、面取りの長さは、「互いに交わる仮想の２つの線分の長さＸ１、Ｘ２のうちの短い方であるＸ２」である。上述した４５°面取り、及び、丸み面取りは、「互いに交わる仮想の２つの線分の長さが等しい場合」に対応する。
【００５４】
以上、説明したスタック構造を稼働させる際には、図７に示すように、高温（例えば、６００〜８００℃）の燃料ガス（水素等）及び「酸素を含むガス（空気等）」を流通させる。導入通路２２０から導入された燃料ガスは、マニホールド２００の内部空間へと移動し、その後、各挿入孔２１１を介して対応するセル１００のガス流路１８にそれぞれ導入される。各ガス流路１８を通過した燃料ガスは、その後、各ガス流路１８のガス排出側端部（自由端部）から外部に排出される。空気は、スタック構造の内部における隣接するセル１００間の隙間に沿って、セル１００の幅方向（ｙ軸方向）に流される。各ガス流路１８のガス排出口から外部空間に排出された余剰のガスは、同ガス排出口の近傍にて、同外部空間内にある空気（酸素）と反応して燃焼させられる。
【００５５】
上述した片持ちスタック構造は、例えば、以下の手順で組み立てられる。先ず、必要な枚数の完成したセル１００、並びに、完成したマニホールド２００が準備される。次いで、所定の治具等を用いて、複数のセル１００がスタック状に整列・固定される。次に、複数のセル１００がスタック状に整列・固定された状態が維持されながら、複数のセル１００のそれぞれの一端部が、支持板２１０の対応する挿入孔２１１に一度に挿入される。次いで、接合材３００用のペーストが、挿入孔２１１とセル１００の一端部との接合部のそれぞれの隙間に充填される。
【００５６】
次に、上記のように充填されたペーストに熱処理が加えられる。これにより、ペーストが乾燥・固化されることによって、接合材３００としての機能を発揮し、各セルのガス流入側端部が対応する挿入孔２１１（従って、支持板２１０）にそれぞれ接合・固定される。その後、前記所定の治具が複数のセル１００から取り外されて、上述した片持ちスタック構造体が完成する。
【００５７】
（導電性支持体のガス排出側端部の表面粗さ）
一般に、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）では、燃料極の導電性を獲得するため、ＳＯＦＣを作動させる前に、焼成体であるＳＯＦＣ（の燃料極）に対して高温下（例えば、８００℃程度）にて還元ガスを供給する熱処理（以下、「還元処理」と呼ぶ。）を行って、燃料極を構成するＮｉＯをＮｉへと還元する必要がある。即ち、ＳＯＦＣ（の燃料極）を非還元体から還元体に移行する必要がある。
【００５８】
なお、還元処理によって還元体となったＳＯＦＣを、その後において８００℃程度から常温まで降温する過程において、４００℃前後に降温されるまでＳＯＦＣ（の燃料極）を還元雰囲気に曝し続けた場合、その後の常温下でもＳＯＦＣ（の燃料極）が還元体に維持される。一方、還元処理によって還元体となったＳＯＦＣが４００℃前後に降温されるまでにＳＯＦＣ（の燃料極）が酸化雰囲気に曝された場合、燃料極が再酸化して、その後の常温下にてＳＯＦＣ（の燃料極）が非還元体に維持され得る。即ち、ＳＯＦＣ（の燃料極）が還元体から非還元体へと戻り得る。更には、係る再酸化によってＳＯＦＣ（の燃料極）が非還元体となっている状態でＳＯＦＣに対して８００℃程度で還元処理を再び行うことにより、ＳＯＦＣ（の燃料極）は非還元体から還元体へと再び移行し得る。以上のように、焼成体である（製造後の）ＳＯＦＣの状態は、その後の使用条件に応じて、還元体及び非還元体の何れの状態にもなり得る。
【００５９】
上記還元処理によって還元体となった上記第１実施形態に係る燃料電池（スタック構造体）が、通常の環境下で稼働される場合には、導電性支持体１１のガス排出側端部にクラックが発生しない。しかしながら、燃料電池（スタック構造体）が熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、導電性支持体１１のガス排出側端部（特に、導電性支持体１１のガス排出側の端面Ｓ、図５を参照）にクラックが発生する場合があった。本発明者は、係るクラックの発生が、「導電性支持体１１のガス排出側の端面の表面粗さ」と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ａについて説明する。
【００６０】
（試験Ａ）
試験Ａでは、上記第１実施形態に係る燃料電池について、導電性支持体１１の材質、角部Ｐ（図５を参照）の面取りの長さ、角部Ｑ（図５を参照）の面取りの長さ、及び、導電性支持体１１のガス排出側の端面Ｓ（図５を参照）の表面粗さの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表１に示すように、１５種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。表面粗さとして、ＪＩＳ
Ｂ ０６０１：２００１で定義される「算術平均粗さＲａ」が採用された。表１に記載された表面粗さの値は、焼成体である上記第１実施形態の完成後、且つ、上記還元処理後の段階での値（Ｎ＝１０の平均値）である。表面粗さの測定は、ｙ軸方向（図１を参照）に沿って行われた。この測定に使用された表面粗さ計は、ＴＡＹＬＯＲ
ＨＯＢＳＯＮ社製のＦｏｒｍ ＴａｌｙＳｕｒｆ Ｐｌｕｓである。触針部の曲率半径は２μｍである。表１において、面取りが「４５°面取り」の場合、面取りの長さを示す数値の前に記号Ｃが付されており、面取りが「丸み面取り」の場合、面取りの長さを示す数値の前に記号Ｒが付されている。表１に記載された面取り長さの値は、焼成体である上記第１実施形態の完成後、且つ、上記還元処理後の段階での値（Ｎ＝１０のそれぞれの最小値のうちの最小値）である。面取り長さに関し、「無し」とは、面取り処理が施されていないことを指す。面取り処理が施されないと、応力集中や微小な欠陥に起因してクラックが発生し易いと考えられる。
【００６１】
【表１】
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【００６２】
各サンプル（図１に示す燃料電池）にて使用された導電性支持体１１としては、材料の気孔率が２０〜６０％であり、厚さ、幅がそれぞれ、２．５ｍｍ、５０ｍｍ（即ち、アスペクト比が２０）であり、ガス流路１８の断面形状が直径１．５ｍｍの円形であり、隣接するガス流路１８、１８間のピッチＰが５．０ｍｍのものが使用された。各サンプルでは、前記積層成形体（導電性支持体成形体に、少なくとも燃料極成形体と固体電解質成形体とが積層された成形体）が共焼成された後、還元処理が行われた。
【００６３】
焼成温度は、１３００〜１６００℃の範囲内で調整された。焼成時間は、１〜２０時間の範囲内で調整された。還元処理温度は、８００〜１０００℃の範囲内で調整された。還元処理時間は、１〜１０時間の範囲内で調整された。
【００６４】
なお、本試験では、支持体（支持基板）の気孔率は、以下のように測定された。先ず、支持体（支持基板）の気孔内に樹脂が進入するようにその支持体（支持基板）に対して所謂「樹脂埋め」処理がなされた。その「樹脂埋め」処理された支持体（支持基板）の表面に対して機械研磨がなされた。機械研磨された表面の微構造を走査型電子顕微鏡を用いて観察して得られた画像に対して画像処理を行うことによって、気孔の部分（樹脂が進入している部分）と気孔でない部分（樹脂が進入していない部分）の面積がそれぞれ算出された。「全体の面積（気孔の部分の面積と気孔でない部分の面積の和）」に対する「気孔の部分の面積」の割合が支持体（支持基板）の「気孔率」とされた。
【００６５】
そして、上記還元処理後の段階（還元状態）における各サンプルについて、「燃料極１２に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターン」を１０回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、導電性支持体１１のガス排出側の端面におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表１に示すとおりである。
【００６６】
表１から理解できるように、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、導電性支持体１１のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで５．５μｍを超えると、理由は不明であるが、同端面にクラックが発生し易い。一方、導電性支持体１１のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで５．５μｍ以下であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。
【００６７】
また、上述のように、導電性支持体１１、燃料極１２、及び固体電解質１３の積層成形体が共焼成される場合、導電性支持体１１のガス排出側の端面の表面粗さを算術平均粗さＲａで０．１８μｍ未満とすることはできなかった。加えて、導電性支持体１１のガス排出側端部のクラックの発生に影響を与えると考えられる角部Ｐ、Ｑの面取りの長さは、表１から理解できるように、導電性支持体１１のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで５．５μｍ以下である各サンプルにおいて、０．０３ｍｍ以上に調整された。以上より、角部Ｐ、Ｑの面取りの長さが０．０３ｍｍ以上である場合において、導電性支持体１１のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍの範囲内であると、そうでない場合と比べて、同端面にクラックが発生し難い、ということができる。
【００６８】
なお、角部Ｑの面取り長さが角部Ｐの面取り長さより大きいことが好ましい。これは、角部Ｐ（即ち、導電性支持体１１のガス排出側端面の外周の角）より角部Ｑ（即ち、ガス流路１８のガス排出側の開口の角部）の方が、クラックが発生し易いこと、並びに、面取り長さが大きいほど応力の集中度合が低下すること、に基づく。
【００６９】
なお、本発明者は、通常の条件・環境下（例えば、常温から７５０℃まで４時間で上げた後に７５０℃から常温まで１２時間で下げるパターン）にて上記第１実施形態が使用される場合、導電性支持体１１のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍの範囲外であっても、同端面にクラックが発生しないことを別途確認している。
【００７０】
なお、後述するように、各セル１００のガス排出側端部（自由端部）にコーティング膜が形成される場合がある。この場合であっても、導電性支持体１１の材料で構成される角部Ｐ、Ｑ（即ち、コーティング膜の表面の角部ではなく、コーティング膜で覆われた角部）の面取りの長さが０．０３ｍｍ以上である場合において、導電性支持体１１の材料で構成される導電性支持体１１のガス排出側の端面（即ち、コーティング膜の表面ではなく、コーティング膜で覆われた面）の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍの範囲内であると、そうでない場合と比べて、同端面にクラックが発生し難い。
【００７１】
以上の結果は、各ガス流路１８の断面形状が円形の場合に対応するが、各ガス流路１８の断面形状が楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であっても同じ結果が得られることが既に確認されている。また、この結果は、導電性支持体のアスペクト比が２０の場合に対応するが、導電性支持体のアスペクト比が５〜１００の範囲内であれば、同じ結果が得られることが既に確認されている。
【００７２】
図８に示すように、上記第１実施形態において、各セル１００のガス排出側端部（自由端部）には、導電性支持体１１より気孔率が小さいコーティング膜５００が形成されてもよい。図８のＺ部の拡大図に示すように、具体的には、コーティング膜５００は、セル１００の長手方向におけるガス排出側の端面の全域に形成された部分（以下、「端面コーティング膜」と呼ぶ）５０１と、各ガス流路の内壁面におけるガス排出側の端部に形成された部分（以下、「流路内壁面コーティング膜」と呼ぶ）５０２と、を含んで構成される。換言すれば、コーティング膜５００は、少なくとも、導電性支持体１１の長手方向におけるガス排出側の端面、並びに、各ガス流路１８の内壁面におけるガス排出側の端部に形成されている。端面コーティング膜５０１は、各流路内壁面コーティング膜５０２と連続している。なお、図８に示す例では、コーティング膜５００は、セル１００の側面におけるガス排出側の端部にも形成されている。コーティング膜５００のうちこの部分５０３は、端面コーティング膜５０１と連続している。
【００７３】
各流路内壁面コーティング膜５０２の長手方向の長さＨ（図８のＺ部の拡大図を参照）は、１０ｍｍ以上であることが好ましい。コーティング膜の部分５０３の長手方向の端部は、導電性支持体１１の外周に形成された固体電解質１３の長手方向の端部の外側面を覆うように同端部と連続している。
【００７４】
コーティング膜５００は、例えば、希土類元素を含むジルコニアから構成される。コーティング膜５００は、固体電解質１３と同じ材料（例えば、イットリア安定化ジルコニアＹＳＺ）で構成されてもよいし、導電性支持体１１と同じ材料で構成されてもよい。コーティング膜５００は、外部空間から導電性支持体１１への空気の進入を防止できる程度の緻密性を備えており、その気孔率は０〜１０％である。コーティング膜５００は、上述のように、導電性支持体１１、燃料極１２及び固体電解質１３との共焼成によって形成されてもよいし、導電性支持体１１、燃料極１２及び固体電解質１３の焼成後に、真空成膜プロセス法（蒸着法、ＣＶＤ法（化学気相成長:Chemical Vapor Deposition）等）によって形成されてもよい。
【００７５】
各ガス流路１８のガス排出口から外部空間に排出された余剰のガスは、同ガス排出口の近傍にて、同外部空間内にある空気（酸素）と反応して燃焼させられる。ここで、各セル１００のガス排出側端部（自由端部）にコーティング膜５００が形成されていることによって、多孔質の導電性支持体１１のガス排出側端部の内部に外部空間内にある空気が進入することが抑制され得る。この結果、同内部への空気の進入に起因して導電性支持体１１のガス排出側端部にクラックが発生する事態の発生が抑制され得る。
【００７６】
このようにコーティング膜が形成される場合、コーティング膜（特に、端面コーティング膜５０１）の表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍであることが好ましい。加えて、コーティング膜（特に、端面コーティング膜５０１）の厚さは、３〜４５μｍであることが好ましい。「コーティング膜の表面粗さ」の調整は、導電性支持体１１の表面粗さ、コーティング材料の平均粒径、スラリー粘度、ディップコーティング時の引き上げ速度等を調整することにより達成された。具体的には、コーティング材料の平均粒径は０．３〜１．２μｍ、スラリー粘度は１〜１００００ｍＰａ・ｓ、引き上げ速度は０．１〜３０ｍｍ/ｓｅｃの範囲内で調整され得る。
【００７７】
また、コーティング膜５００の表面粗さは、コーティング膜５００の全域に亘って均一であることが望ましく、従って、コーティング膜５００における端面コーティング膜５０１を除いた部分の表面粗さも、端面コーティング膜５０１と同様、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍの範囲内であることが望ましい。同様に、コーティング膜５００の厚さは、コーティング膜５００の全域に亘って均一であることが望ましく、従って、コーティング膜５００における端面コーティング膜５０１を除いた部分の厚さも、端面コーティング膜５０１と同様、３〜４５μｍの範囲内であることが望ましい。
【００７８】
（第２実施形態）
図９は、本発明に係る固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の第２実施形態を示す。このＳＯＦＣは、長手方向（ｘ軸方向）を有する平板状の支持基板１０の上下面（互いに平行な両側の主面（平面））のそれぞれに、電気的に直列に接続された複数（本例では、４つ）の同形の発電素子部Ａが長手方向において所定の間隔をおいて配置された、所謂「横縞型」と呼ばれる構成を有する。この点、導電性支持体の表面に「燃料極、固体電解質、及び空気極がこの順に積層されてなる発電素子部」が１つのみ設けられたセルが複数枚積層された所謂「縦縞型」の構成が採用された上記第１実施形態と異なる。
【００７９】
この第２実施形態のＳＯＦＣの全体を上方からみた形状は、例えば、長手方向の辺の長さが５〜５０ｃｍで長手方向に直交する幅方向（ｙ軸方向）の長さが１〜１０ｃｍの長方形である。このＳＯＦＣの全体の厚さは、１〜５ｍｍである。このＳＯＦＣの全体は、厚さ方向の中心を通り且つ支持基板１０の主面に平行な面に対して上下対称の形状を有する。以下、図９に加えて、このＳＯＦＣの図９に示す１０−１０線に対応する部分断面図である図１０を参照しながら、このＳＯＦＣの詳細について説明する。図１０は、代表的な１組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａのそれぞれの構成（の一部）、並びに、発電素子部Ａ，Ａ間の構成を示す部分断面図である。その他の組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａ間の構成も、図１０に示す構成と同様である。
【００８０】
支持基板１０は、電子伝導性を有さない多孔質の材料からなる平板状の焼成体である。後述する図１４に示すように、支持基板１０の内部には、長手方向に延びる複数（本例では、６本）の燃料ガス流路１１（貫通孔）が幅方向において所定の間隔をおいて形成されている。各燃料ガス流路１１の断面形状は直径Ｄが０．５〜３ｍｍの円形である。隣り合う燃料ガス流路１１、１１の幅方向における間隔（ピッチ）Ｐは１〜５ｍｍである。なお、各燃料ガス流路１１の断面形状は、楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であってもよい。また、本例では、各凹部１２は、支持基板１０の材料からなる底壁と、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。
【００８１】
支持基板１０は、例えば、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）とＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とから構成されてもよい。支持基板１０の気孔率は、２０〜６０％である。
【００８２】
支持基板１０は、「遷移金属酸化物又は遷移金属」と、絶縁性セラミックスとを含んで構成され得る。「遷移金属酸化物又は遷移金属」としては、ＮｉＯ（酸化ニッケル）又はＮｉ（ニッケル）が好適である。遷移金属は、燃料ガスの改質反応を促す触媒（炭化水素系のガスの改質触媒）として機能し得る。
【００８３】
また、絶縁性セラミックスとしては、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）、又は、「ＭｇＡｌ２Ｏ４（マグネシアアルミナスピネル）とＭｇＯ（酸化マグネシウム）の混合物」が好適である。また、絶縁性セラミックスとして、ＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）、Ｙ２Ｏ３（イットリア）が使用されてもよい。
【００８４】
このように、支持基板１０が「遷移金属酸化物又は遷移金属」を含むことによって、改質前の残存ガス成分を含んだガスが多孔質の支持基板１０の内部の多数の気孔を介して燃料ガス流路１１から燃料極に供給される過程において、上記触媒作用によって改質前の残存ガス成分の改質を促すことができる。加えて、支持基板１０が絶縁性セラミックスを含むことによって、支持基板１０の絶縁性を確保することができる。この結果、隣り合う燃料極間における絶縁性が確保され得る。これに対し、支持基板１０は、Ｎｉ元素を含まない絶縁性セラミックス材料のみ、例えば、ＭｇＯ−Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ−ＭｇＡｌ２Ｏ４で構成されてもよい。
【００８５】
支持基板１０の幅は１０〜１００ｍｍであり、厚さは、１〜５ｍｍである。支持基板１０のアスペクト比（幅／厚さ）は、５〜１００である。以下、この構造体の形状が上下対称となっていることを考慮し、説明の簡便化のため、支持基板１０の上面側の構成についてのみ説明していく。支持基板１０の下面側の構成についても同様である。
【００８６】
図１０及び図１１に示すように、支持基板１０の上面（上側の主面）に形成された各凹部１２には、燃料極集電部２１の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極集電部２１は直方体状を呈している。各燃料極集電部２１の上面（外側面）には、凹部２１ａが形成されている。各凹部２１ａは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。
【００８７】
各凹部２１ａには、燃料極活性部２２の全体が埋設（充填）されている。従って、各燃料極活性部２２は直方体状を呈している。燃料極集電部２１と燃料極活性部２２とにより燃料極２０が構成される。燃料極２０（燃料極集電部２１＋燃料極活性部２２）は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。各燃料極活性部２２の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ａ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００８８】
各燃料極集電部２１の上面（外側面）における凹部２１ａを除いた部分には、凹部２１ｂが形成されている。各凹部２１ｂは、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みである。周方向に閉じた側壁のうち、長手方向に沿う２つの側壁は支持基板１０の材料からなり、幅方向に沿う２つの側壁は燃料極集電部２１の材料からなる。
【００８９】
各凹部２１ｂには、インターコネクタ３０が埋設（充填）されている。従って、各インターコネクタ３０は直方体状を呈している。インターコネクタ３０は、電子伝導性を有する緻密な材料からなる焼成体である。各インターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とは、凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【００９０】
燃料極２０（燃料極集電部２１及び燃料極活性部２２）の上面（外側面）と、インターコネクタ３０の上面（外側面）と、支持基板１０の主面とにより、１つの平面（凹部１２が形成されていない場合の支持基板１０の主面と同じ平面）が構成されている。即ち、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で、段差が形成されていない。
【００９１】
燃料極活性部２２は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＧＤＣ（ガドリニウムドープセリア）とから構成されてもよい。燃料極集電部２１は、例えば、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）とから構成され得る。或いは、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＹ２Ｏ３（イットリア）とから構成されてもよいし、ＮｉＯ（酸化ニッケル）とＣＳＺ（カルシア安定化ジルコニア）とから構成されてもよい。燃料極活性部２２の厚さは、５〜３０μｍであり、燃料極集電部２１の厚さ（即ち、凹部１２の深さ）は、５０〜５００μｍである。
【００９２】
このように、燃料極集電部２１は、電子伝導性を有する物質を含んで構成される。燃料極活性部２２は、電子伝導性を有する物質と酸化性イオン（酸素イオン）伝導性を有する物質とを含んで構成される。燃料極活性部２２における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」は、燃料極集電部２１における「気孔部分を除いた全体積に対する酸化性イオン伝導性を有する物質の体積割合」よりも大きい。
【００９３】
インターコネクタ３０は、例えば、ＬａＣｒＯ３（ランタンクロマイト）から構成され得る。或いは、（Ｓｒ，Ｌａ）ＴｉＯ３（ストロンチウムチタネート）から構成されてもよい。インターコネクタ３０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００９４】
燃料極２０及びインターコネクタ３０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタ３０が形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面は、固体電解質膜４０により覆われている。固体電解質膜４０は、イオン伝導性を有し且つ電子伝導性を有さない緻密な材料からなる焼成体である。固体電解質膜４０は、例えば、ＹＳＺ（８ＹＳＺ）（イットリア安定化ジルコニア）から構成され得る。或いは、ＬＳＧＭ（ランタンガレート）から構成されてもよい。固体電解質膜４０の厚さは、３〜５０μｍである。
【００９５】
即ち、燃料極２０がそれぞれの凹部１２に埋設された状態の支持基板１０における長手方向に延びる外周面の全面は、インターコネクタ３０と固体電解質膜４０とからなる緻密層により覆われている。この緻密層は、緻密層の内側の空間を流れる燃料ガスと緻密層の外側の空間を流れる空気との混合を防止するガスシール機能を発揮する。
【００９６】
なお、図１０に示すように、本例では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の上面、インターコネクタ３０の上面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、上述したように、燃料極２０の上面とインターコネクタ３０の上面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
【００９７】
固体電解質膜４０における各燃料極活性部２２と接している箇所の上面には、反応防止膜５０を介して空気極６０が形成されている。反応防止膜５０は、緻密な材料からなる焼成体であり、空気極６０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。反応防止膜５０及び空気極６０を上方からみた形状は、燃料極活性部２２と略同一の長方形である。
【００９８】
反応防止膜５０は、例えば、ＧＤＣ＝（Ｃｅ，Ｇｄ）Ｏ２（ガドリニウムドープセリア）から構成され得る。反応防止膜５０の厚さは、３〜５０μｍである。空気極６０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＦｅＯ３（ランタンストロンチウムフェライト）、ＬＮＦ＝Ｌａ（Ｎｉ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンニッケルフェライト）、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）等から構成されてもよい。また、空気極６０は、ＬＳＣＦからなる第１層（内側層）とＬＳＣからなる第２層（外側層）との２層によって構成されてもよい。空気極６０の厚さは、１０〜１００μｍである。
【００９９】
なお、反応防止膜５０が介装されるのは、ＳＯＦＣ作製時又は作動中のＳＯＦＣ内において固体電解質膜４０内のＹＳＺと空気極６０内のＳｒとが反応して固体電解質膜４０と空気極６０との界面に電気抵抗が大きい反応層が形成される現象の発生を抑制するためである。
【０１００】
ここで、燃料極２０と、固体電解質膜４０と、反応防止膜５０と、空気極６０とが積層されてなる積層体が、「発電素子部Ａ」に対応する（図１０を参照）。即ち、支持基板１０の上面には、複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが、長手方向において所定の間隔をおいて配置されている。
【０１０１】
各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図１０では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図１０では、右側の）発電素子部Ａのインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極６０、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の上面に、空気極集電膜７０が形成されている。空気極集電膜７０は、電子伝導性を有する多孔質の材料からなる焼成体である。空気極集電膜７０を上方からみた形状は、長方形である。
【０１０２】
空気極集電膜７０は、例えば、ＬＳＣＦ＝（Ｌａ，Ｓｒ）（Ｃｏ，Ｆｅ）Ｏ３（ランタンストロンチウムコバルトフェライト）から構成され得る。或いは、ＬＳＣ＝（Ｌａ，Ｓｒ）ＣｏＯ３（ランタンストロンチウムコバルタイト）から構成されてもよい。或いは、Ａｇ（銀）、Ａｇ−Ｐｄ（銀パラジウム合金）から構成されてもよい。空気極集電膜７０の厚さは、５０〜５００μｍである。
【０１０３】
このように各空気極集電膜７０が形成されることにより、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、一方の（図１０では、左側の）発電素子部Ａの空気極６０と、他方の（図１０では、右側の）発電素子部Ａの燃料極２０（特に、燃料極集電部２１）とが、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」を介して電気的に接続される。この結果、支持基板１０の上面に配置されている複数（本例では、４つ）の発電素子部Ａが電気的に直列に接続される。ここで、電子伝導性を有する「空気極集電膜７０及びインターコネクタ３０」が、前記「電気的接続部」に対応する。
【０１０４】
なお、インターコネクタ３０は、前記「電気的接続部」における前記「緻密な材料で構成された第１部分」に対応し、気孔率は１０％以下である。空気極集電膜７０は、前記「電気的接続部」における前記「多孔質の材料で構成された第２部分」に対応し、気孔率は２０〜６０％である。
【０１０５】
以上、説明した「横縞型」のＳＯＦＣに対して、図１２に示すように、支持基板１０の燃料ガス流路１１内に燃料ガス（水素ガス等）を流すとともに、支持基板１０の上下面（特に、各空気極集電膜７０）を「酸素を含むガス」（空気等）に曝す（或いは、支持基板１０の上下面に沿って酸素を含むガスを流す）ことにより、固体電解質膜４０の両側面間に生じる酸素分圧差によって起電力が発生する。更に、この構造体を外部の負荷に接続すると、下記（１）、（２）式に示す化学反応が起こり、電流が流れる(発電状態)。
（１／２）・Ｏ２＋２ｅ−→Ｏ２−    （於：空気極６０）  …（１）
Ｈ２＋Ｏ２−→Ｈ２Ｏ＋２ｅ− 
（於：燃料極２０）  …（２）
【０１０６】
発電状態においては、図１３に示すように、各組の隣り合う発電素子部Ａ，Ａについて、電流が、矢印で示すように流れる。この結果、図１２に示すように、このＳＯＦＣ全体から（具体的には、図１２において最も手前側の発電素子部Ａのインターコネクタ３０と最も奥側の発電素子部Ａの空気極６０とを介して）電力が取り出される。
【０１０７】
（製造方法）
次に、図９に示した「横縞型」のＳＯＦＣの製造方法の一例について図１４〜図２２を参照しながら簡単に説明する。図１４〜図２２において、各部材の符号の末尾の「ｇ」は、その部材が「焼成前」であることを表す。
【０１０８】
先ず、図１４に示す形状を有する支持基板の成形体１０ｇが作製される。この支持基板の成形体１０ｇは、例えば、支持基板１０の材料（例えば、ＣＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、押し出し成形、切削等の手法を利用して作製され得る。以下、図１４に示す１５−１５線に対応する部分断面を表す図１５〜図２２を参照しながら説明を続ける。
【０１０９】
図１５に示すように、支持基板の成形体１０ｇが作製されると、次に、図１６に示すように、支持基板の成形体１０ｇの上下面に形成された各凹部に、燃料極集電部の成形体２１ｇがそれぞれ埋設・形成される。次いで、図１７に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面に形成された各凹部に、燃料極活性部の成形体２２ｇがそれぞれ埋設・形成される。各燃料極集電部の成形体２１ｇ、及び各燃料極活性部２２ｇは、例えば、燃料極２０の材料（例えば、ＮｉとＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。
【０１１０】
続いて、図１８に示すように、各燃料極集電部の成形体２１ｇの外側面における「燃料極活性部の成形体２２ｇが埋設された部分を除いた部分」に形成された各凹部に、インターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成される。各インターコネクタの成形体３０ｇは、例えば、インターコネクタ３０の材料（例えば、ＬａＣｒＯ３）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して埋設・形成される。
【０１１１】
次に、図１９に示すように、複数の燃料極の成形体（２１ｇ＋２２ｇ）及び複数のインターコネクタの成形体３０ｇがそれぞれ埋設・形成された状態の支持基板の成形体１０ｇにおける長手方向に延びる外周面において複数のインターコネクタの成形体３０ｇが形成されたそれぞれの部分の長手方向中央部を除いた全面に、固体電解質膜の成形膜４０ｇが形成される。固体電解質膜の成形膜４０ｇは、例えば、固体電解質膜４０の材料（例えば、ＹＳＺ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法、ディッピング法等を利用して形成される。
【０１１２】
次に、図２０に示すように、固体電解質膜の成形体４０ｇにおける各燃料極の成形体２２ｇと接している箇所の外側面に、反応防止膜の成形膜５０ｇが形成される。各反応防止膜の成形膜５０ｇは、例えば、反応防止膜５０の材料（例えば、ＧＤＣ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。なお、図２０には示していないが、この状態の支持基板の成形体１０ｇのガス排出側端部には、後述するコーティング膜５００（図３２を参照）の成形膜も、ディッピング法等を利用して形成される。
【０１１３】
そして、このように種々の成形膜が形成された状態の支持基板の成形体１０ｇが、空気中にて１５００℃で３時間焼成される。これにより、図９に示したＳＯＦＣにおいて空気極６０及び空気極集電膜７０が形成されていない状態の構造体が得られる。
【０１１４】
次に、図２１に示すように、各反応防止膜５０の外側面に、空気極の成形膜６０ｇが形成される。各空気極の成形膜６０ｇは、例えば、空気極６０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
【０１１５】
次に、図２２に示すように、各組の隣り合う発電素子部について、一方の発電素子部の空気極の成形膜６０ｇと、他方の発電素子部のインターコネクタ３０とを跨ぐように、空気極の成形膜６０ｇ、固体電解質膜４０、及び、インターコネクタ３０の外側面に、空気極集電膜の成形膜７０ｇが形成される。各空気極集電膜の成形膜７０ｇは、例えば、空気極集電膜７０の材料（例えば、ＬＳＣＦ）の粉末にバインダー等が添加されて得られるスラリーを用いて、印刷法等を利用して形成される。
【０１１６】
そして、このように成形膜６０ｇ、７０ｇが形成された状態の支持基板１０が、空気中にて１０５０℃で３時間焼成される。これにより、図９に示したＳＯＦＣが得られる。以上、図９に示したＳＯＦＣの製造方法の一例について説明した。
【０１１７】
なお、この時点では、酸素含有雰囲気での焼成により、支持基板１０、及び燃料極２０中のＮｉ成分が、ＮｉＯとなっている。従って、燃料極２０の導電性を獲得するため、その後、支持基板１０側から還元性の燃料ガスが流され、ＮｉＯが８００〜１０００℃で１〜１０時間に亘って還元処理される。なお、この還元処理は発電時に行われてもよい。
【０１１８】
上記第２実施形態では、図１４等に示すように、支持基板１０に形成された凹部１２の平面形状（支持基板１０の主面に垂直の方向からみた場合の形状）が、長方形になっているが、例えば、正方形、円形、楕円形、長穴形状等であってもよい。
【０１１９】
また、上記第２実施形態においては、各凹部１２にはインターコネクタ３０の全体が埋設されているが、インターコネクタ３０の一部のみが各凹部１２に埋設され、インターコネクタ３０の残りの部分が凹部１２の外に突出（即ち、支持基板１０の主面から突出）していてもよい。
【０１２０】
また、上記第２実施形態において、凹部１２における底壁と側壁とのなす角度θが９０°になっているが、図２３に示すように、角度θが９０〜１３５°となっていてもよい。また、上記第２実施形態においては、図２４に示すように、凹部１２における底壁と側壁とが交差する部分が半径Ｒの円弧状になっていて、凹部１２の深さに対する半径Ｒの割合が０．０１〜１となっていてもよい。
【０１２１】
また、上記第２実施形態においては、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに複数の凹部１２が形成され且つ複数の発電素子部Ａが設けられているが、図２５に示すように、支持基板１０の片側面のみに複数の凹部１２が形成され且つ複数の発電素子部Ａが設けられていてもよい。
【０１２２】
また、上記第２実施形態においては、燃料極２０が燃料極集電部２１と燃料極活性部２２との２層で構成されているが、燃料極２０が燃料極活性部２２に相当する１層で構成されてもよい。また、上記第２実施形態においては、支持基板１０が平板状を呈しているが、円筒状を呈していても良い。
【０１２３】
加えて、上記第２実施形態においては、図１１に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、周方向に閉じた側壁（支持基板１０の材料からなる長手方向に沿う２つの側壁と、燃料極集電部２１の材料からなる幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みとなっている。この結果、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の幅方向に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。
【０１２４】
これに対し、図２６に示すように、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂが、燃料極集電部２１の材料からなる底壁と、全周に亘って燃料極集電部２１の材料からなる周方向に閉じた側壁（長手方向に沿う２つの側壁と、幅方向に沿う２つの側壁）と、で画定された直方体状の窪みであってもよい。これによれば、凹部２１ｂに埋設されたインターコネクタ３０の４つの側面の全てと底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触する。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との界面の面積をより一層大きくできる。従って、燃料極集電部２１とインターコネクタ３０との間における電子伝導性をより一層高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力をより一層高めることができる。
【０１２５】
図２７、２８、２９、３０、３１、３２はそれぞれ、上記第２実施形態に係るセル１００を用いたスタック構造体が形成された場合における図２、３、４、５、７、８に対応する図である。図２７、２８、２９、３０、３１、３２において、図２、３、４、５、７、８に示した部材・構成と同じ或いは等価な部材・構成については図２、３、４、５、７、８にて使用した符号と同じ符号が付されている。
【０１２６】
図２９、及び、図２９のＺ部の拡大図である図３０に示すように、各セル１００のガス排出側端部（自由端部）において、支持基板１０の長手方向（ｘ軸方向）におけるガス排出側の端面の外周の角部Ｐ、及び、各ガス流路１１のガス排出側の開口の角部Ｑには、上記第１実施形態と同様、面取りが施されている。面取りの長さの定義については、上記第１実施形態と同様である。
【０１２７】
（支持基板のガス排出側端部の表面粗さ）
上述した還元処理によって還元体となった上記第２実施形態に係る燃料電池（スタック構造体）も、上記第１実施形態に係る燃料電池と同様、通常の環境下で稼働される場合には支持基板１０のガス排出側端部にクラックが発生しない一方で、熱応力的に過酷な環境下で稼働されると、支持基板１０のガス排出側端部（特に、支持基板１０のガス排出側の端面Ｓ、図３０を参照）にクラックが発生する場合があった。本発明者は、上記第１実施形態と同様、上記第２実施形態においても、係るクラックの発生が、「支持基板１０のガス排出側の端面の表面粗さ」と強い相関があることを見出した。以下、このことを確認した試験Ｂについて説明する。
【０１２８】
（試験Ｂ）
試験Ｂでは、試験Ａと同様、上記第２実施形態に係る燃料電池について、支持基板１０の材質、角部Ｐ（図３０を参照）の面取りの長さ、角部Ｑ（図３０を参照）の面取りの長さ、及び、支持基板１０のガス排出側の端面Ｓ（図３０を参照）の表面粗さの組み合わせが異なる複数のサンプルが作製された。具体的には、表２に示すように、１５種類の水準（組み合わせ）が準備された。各水準に対して１０個のサンプル（Ｎ＝１０）が作製された。表面粗さ及び面取り長さの測定方法及び評価方法は、試験Ａのときと同じである。また、表２に記載された表面粗さ及び面取り長さの値の意味は、表１と同じである。
【０１２９】
【表２】
0005455270.tif 000003
【０１３０】
各サンプル（図９に示す燃料電池）にて使用された支持基板１０としては、材料の気孔率が２０〜６０％であり、厚さ、幅がそれぞれ、２．５ｍｍ、５０ｍｍ（即ち、アスペクト比が２０）であり、ガス流路１１の断面形状が直径１．５ｍｍの円形であり、隣接するガス流路１１、１１間のピッチＰが５．０ｍｍのものが使用された。各サンプルでは、上述と同様、支持基板１０、燃料極２０、及び固体電解質膜４０が共焼成された。その後、各サンプルに対して還元処理が行われた。
【０１３１】
そして、上記還元処理後の段階（還元状態）における各サンプルについて、「燃料極２０に還元性の燃料ガスを流通させながら、雰囲気温度を常温から７５０℃まで２時間で上げた後に７５０℃から常温まで４時間で下げるパターン」を１０回繰り返す熱サイクル試験を行った。そして、各サンプルについて、支持基板１０のガス排出側の端面におけるクラックの発生の有無が確認された。この確認は、目視、並びに、顕微鏡を使用した観察によってなされた。この結果は表２に示すとおりである。
【０１３２】
表２から理解できるように、熱応力的に過酷な上記熱サイクル試験を行った後では、支持基板１０のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで５．５μｍを超えると、理由は不明であるが、同端面にクラックが発生し易い。一方、支持基板１０のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで５．５μｍ以下であると、前記クラックが発生し難い、ということができる。
【０１３３】
また、上述のように、支持基板１０、燃料極２０、及び固体電解質膜４０の積層成形体が共焼成される場合、支持基板１０のガス排出側の端面の表面粗さを算術平均粗さＲａで０．１８μｍ未満とすることはできなかった。加えて、支持基板１０のガス排出側端部のクラックの発生に影響を与えると考えられる角部Ｐ、Ｑの面取りの長さは、表２から理解できるように、支持基板１０のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで５．５μｍ以下である各サンプルにおいて、０．０３ｍｍ以上に調整された。以上より、角部Ｐ、Ｑの面取りの長さが０．０３ｍｍ以上である場合において、支持基板１０のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍの範囲内であると、そうでない場合と比べて、同端面にクラックが発生し難い、ということができる。
【０１３４】
なお、角部Ｑの面取り長さが角部Ｐの面取り長さより大きいことが好ましい。これは、角部Ｐ（即ち、支持基板１０のガス排出側端面の外周の角）より角部Ｑ（即ち、ガス流路１１のガス排出側の開口の角部）の方が、クラックが発生し易いこと、並びに、面取り長さが大きいほど応力の集中度合が低下すること、に基づく。
【０１３５】
なお、本発明者は、通常の条件・環境下（例えば、常温から７５０℃まで４時間で上げた後に７５０℃から常温まで１２時間で下げるパターン）にて上記第２実施形態が使用される場合、支持基板１０のガス排出側の端面の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍの範囲外であっても、同端面にクラックが発生しないことを別途確認している。
【０１３６】
なお、後述するように、各セル１００のガス排出側端部（自由端部）にコーティング膜が形成される場合がある。この場合であっても、支持基板１０の材料で構成される角部Ｐ、Ｑ（即ち、コーティング膜の表面の角部ではなく、コーティング膜で覆われた角部）の面取りの長さが０．０３ｍｍ以上である場合において、支持基板１０の材料で構成される支持基板１０のガス排出側の端面（即ち、コーティング膜の表面ではなく、コーティング膜で覆われた面）の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍの範囲内であると、そうでない場合と比べて、同端面にクラックが発生し難い。
【０１３７】
以上の結果は、各ガス流路１１の断面形状が円形の場合に対応するが、各ガス流路１１の断面形状が楕円形、長穴、四隅に円弧を有する四角形等であっても同じ結果が得られることが既に確認されている。また、この結果は、支持基板のアスペクト比が２０の場合に対応するが、支持基板のアスペクト比が５〜１００の範囲内であれば、同じ結果が得られることが既に確認されている。
【０１３８】
図３２に示すように、上記第２実施形態において、上記第１実施形態と同様、各セル１００のガス排出側端部（自由端部）には、支持基板１０より気孔率が小さいコーティング膜５００が形成されてもよい。図３２のＺ部の拡大図に示すように、具体的には、コーティング膜５００は、セル１００の長手方向におけるガス排出側の端面の全域に形成された部分（以下、「端面コーティング膜」と呼ぶ）５０１と、各ガス流路の内壁面におけるガス排出側の端部に形成された部分（以下、「流路内壁面コーティング膜」と呼ぶ）５０２と、を含んで構成される。換言すれば、コーティング膜５００は、少なくとも、支持基板１０の長手方向におけるガス排出側の端面、並びに、各ガス流路１１の内壁面におけるガス排出側の端部に形成されている。端面コーティング膜５０１は、各流路内壁面コーティング膜５０２と連続している。なお、図３２に示す例では、コーティング膜５００は、セル１００の側面におけるガス排出側の端部にも形成されている。コーティング膜５００のうちこの部分５０３は、端面コーティング膜５０１と連続している。
【０１３９】
各流路内壁面コーティング膜５０２の長手方向の長さＨ（図３２のＺ部の拡大図を参照）は、１０ｍｍ以上であることが好ましい。コーティング膜の部分５０３の長手方向の端部は、支持基板１０の外周に形成された固体電解質膜４０の長手方向の端部の外側面を覆うように同端部と連続している。
【０１４０】
コーティング膜５００は、例えば、希土類元素を含むジルコニアから構成される。コーティング膜５００は、固体電解質膜４０と同じ材料（例えば、イットリア安定化ジルコニアＹＳＺ）で構成されてもよいし、支持基板１０と同じ材料で構成されてもよい。コーティング膜５００は、外部空間から支持基板１０への空気の進入を防止できる程度の緻密性を備えており、その気孔率は０〜１０％である。コーティング膜５００は、上述のように、支持基板１０、燃料極２０及び固体電解質膜４０との共焼成によって形成されてもよいし、支持基板１０、燃料極２０及び固体電解質膜４０の焼成後に、真空成膜プロセス法（蒸着法、ＣＶＤ法（化学気相成長:Chemical Vapor Deposition）等）によって形成されてもよい。
【０１４１】
各ガス流路１１のガス排出口から外部空間に排出された余剰のガスは、同ガス排出口の近傍にて、同外部空間内にある空気（酸素）と反応して燃焼させられる。ここで、各セル１００のガス排出側端部（自由端部）にコーティング膜５００が形成されていることによって、多孔質の支持基板１０のガス排出側端部の内部に外部空間内にある空気が進入することが抑制され得る。この結果、同内部への空気の進入に起因して支持基板１０のガス排出側端部にクラックが発生する事態の発生が抑制され得る。
【０１４２】
このようにコーティング膜が形成される場合、コーティング膜（特に、端面コーティング膜５０１）の表面粗さは、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍであることが好ましい。加えて、コーティング膜（特に、端面コーティング膜５０１）の厚さは、３〜４５μｍであることが好ましい。「コーティング膜の表面粗さ」の調整は、支持基板１０の表面粗さ、コーティング材料の平均粒径、スラリー粘度、ディップコーティング時の引き上げ速度等を調整することにより達成された。具体的には、コーティング材料の平均粒径は０．３〜１．２μｍ、スラリー粘度は１〜１００００ｍＰａ・ｓ、引き上げ速度は０．１〜３０ｍｍ/ｓｅｃの範囲内で調整され得る。
【０１４３】
また、コーティング膜５００の表面粗さは、コーティング膜５００の全域に亘って均一であることが望ましく、従って、コーティング膜５００における端面コーティング膜５０１を除いた部分の表面粗さも、端面コーティング膜５０１と同様、算術平均粗さＲａで０．１３〜５．２μｍの範囲内であることが望ましい。同様に、コーティング膜５００の厚さは、コーティング膜５００の全域に亘って均一であることが望ましく、従って、コーティング膜５００における端面コーティング膜５０１を除いた部分の厚さも、端面コーティング膜５０１と同様、３〜４５μｍの範囲内であることが望ましい。
【０１４４】
(第２実施形態特有の作用・効果)
上述した第２実施形態では、支持基板１０の上下面に形成されている、燃料極２０を埋設するための複数の凹部１２のそれぞれが、全周に亘って支持基板１０の材料からなる周方向に閉じた側壁を有している。換言すれば、支持基板１０において各凹部１２を囲む枠体がそれぞれ形成されている。従って、この構造体は、支持基板１０が外力を受けた場合に変形し難い。
【０１４５】
また、支持基板１０の各凹部１２内に燃料極２０及びインターコネクタ３０等の部材が隙間なく充填・埋設された状態で、支持基板１０と前記埋設された部材とが共焼結される。従って、部材間の接合性が高く且つ信頼性の高い焼結体が得られる。
【０１４６】
また、インターコネクタ３０が、燃料極集電部２１の外側面に形成された凹部２１ｂに埋設され、この結果、直方体状のインターコネクタ３０の幅方向（ｙ軸方向）に沿う２つの側面と底面とが凹部２１ｂ内で燃料極集電部２１と接触している。従って、燃料極集電部２１の外側平面上に直方体状のインターコネクタ３０が積層される（接触する）構成が採用される場合に比べて、燃料極２０（集電部２１）とインターコネクタ３０との界面の面積を大きくできる。従って、燃料極２０とインターコネクタ３０との間における電子伝導性を高めることができ、この結果、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【０１４７】
また、上記第２実施形態では、平板状の支持基板１０の上下面のそれぞれに、複数の発電素子部Ａが設けられている。これにより、支持基板の片側面のみに複数の発電素子部が設けられる場合に比して、構造体中における発電素子部の数を多くでき、燃料電池の発電出力を高めることができる。
【０１４８】
また、上記第２実施形態では、固体電解質膜４０が、燃料極２０の外側面、インターコネクタ３０の外側面における長手方向の両側端部、及び支持基板１０の主面を覆っている。ここで、燃料極２０の外側面とインターコネクタ３０の外側面と支持基板１０の主面との間で段差が形成されていない。従って、固体電解質膜４０が平坦化されている。この結果、固体電解質膜４０に段差が形成される場合に比して、応力集中に起因する固体電解質膜４０でのクラックの発生が抑制され得、固体電解質膜４０が有するガスシール機能の低下が抑制され得る。
【符号の説明】
【０１４９】
１１…導電性支持体、１２…燃料極、１３…固体電解質、１４…空気極、
１０…支持基板、１１…燃料ガス流路、１２…凹部、２０…燃料極、２１…燃料極集電部、２１ａ、２１ｂ…凹部、２２…燃料極活性部、３０…インターコネクタ、４０…固体電解質膜、５０…反応防止膜、６０…空気極、７０…空気極集電膜、５００…コーティング膜、Ａ…発電素子部
【要約】
【課題】ガス流路が内部に形成された多孔質の支持基板を備えた燃料電池であって、支持基板のガス排出側端部にクラックが発生する事態を抑制し得るものを提供すること。
【解決手段】この燃料電池は、複数のガス流路１８が長手方向に沿って内部に形成された平板状の多孔質の支持基板１１と、支持基板１１の主面に設けられ、少なくとも燃料極１２、固体電解質１３、及び空気極１４がこの順で積層された発電素子部と、を備えた焼成体である。支持基板１１の長手方向におけるガス排出側の端面の外周の角部、及び、各ガス流路１８のガス排出側の開口の角部に、長さ０．０３ｍｍ以上の面取りが施されている。支持基板１１の長手方向におけるガス排出側の端面の表面粗さが、算術平均粗さＲａで０．１８〜５．５μｍである。
【選択図】図１【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３２】
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【図２】
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【図７】
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【図２７】
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【図３１】
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